Опубликовано Лазерный дальномер — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июня 2016; проверки требуют 19 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 июня 2016; проверки требуют 19 правок.
Лазерный дальномер RB20000
Купол лазерного дальномера АЗТ-28 («Большая сажень»)Лазерный дальномер — прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.
Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии[источник не указан 1576 дней]. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.
Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.
Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, т.к. импульс можно выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.
Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность (до 1 км) и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.
Лазерный дальномер — простейший вариант лидара.
Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью даёт возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется соотношение
- L=ct2n,{\displaystyle L={\frac {ct}{2n}},}
где L{\displaystyle L} — расстояние до объекта, c{\displaystyle c} — скорость света в вакууме, n{\displaystyle n} — показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t{\displaystyle t} — время прохождения импульса до цели и обратно.
Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче фронт импульса, тем лучше.
Фазовые лазерные дальномеры имеют ошибку на доли длины фазы модуляции, поэтому намного точнее импульсных, а также дешевле, т.к. не имеют сверхточного таймера. Однако необходимость более длительной подсветки цели уменьшает мощность лазера и, как следствие, дальность работы прибора.
Фазовый лазерный дальномер не меняет длину волны самого лазера (это сложно), а управляет его мощностью, накладывая модулирующий сигнал частотой не выше 500 МГц.
Принцип действия фазового лазерного дальномера заключается в том, что при отражении от цели отражённая волна придет в другой фазе. Иными словами, если в данный момент лазер излучает сигнал определённой мощности, то отражённый сигнал будет возвращаться так, как будто мощность излучения была другая, поскольку за время прохождения света до измеряемого объекта и обратно изменяется фаза (мощность сигнала) на самом устройстве. Поскольку неизвестно, сколько целых длин волн уложилось при одном измерении, то дальномер меняет частоту модуляции и повторяет замер. Далее процессор в дальномере решает систему линейных уравнений и вычисляет расстояние до цели. Точность результата определяется точностью измерения сдвига фаз и достигает 0,5 мм [1].
ru.wikipedia.org
Самодельный фазовый лазерный дальномер / Habr
В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.
Теория
Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.
Однако существуют и другие лазерные методы изменения расстояния, одним из них является фазовый. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).
Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.
Расстояние определяется по формуле:
Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.
Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.
Если частота модуляции равна 10МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.
При превышении этого расстояния возникает неоднозначность — невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.
Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.
Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.
Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.
Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).
Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты.
Пример структурной схемы дальномера с гетеродином. М — генератор сигнала модуляции лазера, Г — гетеродин.
Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.
Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование. Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается.
В первой статье указывается, что если частота дискретизации сигнала (fsp) связана с частотой модуляции (fo) следующим соотношением:
где p — целое число, то процесс вычисления фазы значительно упрощается.
Достаточно взять N выборок сигнала X[i], после чего разность фаз можно вычислить по следующим формулам:
Отмечу, что оба вышеуказанных метода часто применяются вместе — низкочастотные сигналы подаются напрямую на АЦП, высокочастотные переносятся в область более низких частот за счет гетеродинного преобразования, и также подаются на АЦП.
Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.
Практика
Структурная схема моего дальномера:
Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром.
В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.
Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части):
Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском. В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции.
Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы.
Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы.
Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.
Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000). Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки.
Приемнику для работы требуется напряжение 12В, так что для его питания приходится использовать отдельный блок питания.
Усилитель очень чувствителен к внешним наводкам, так что он тоже должен быть экранированным. Я взял готовый корпус от нерабочего оптического датчика, и разместил усилитель в нем (белая полоска — фольга для дополнительного экранирования фотодиода):
Отмечу, что наводка сигнала от лазера на приемник довольно сильно ухудшает точность измерения разности фаз, так что нужно контролировать, чтобы такая наводка отсутствовала.
LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).
Отладочная плата — STM32F4-DISCOVERY. Ее выбрал потому, что для формирования двух достаточно различающихся частот нужен генератор достаточно высокой частоты (PLL STM32F4 может давать частоты больше 100МГц).
В формуле, связывающей частоту модуляции и дискретизации, коэффициент «p» я принял равным 6, так что при частоте модуляции 10МГц частота дискретизации должна быть 1.6МГц.
Для формирования частоты 10МГц используется таймер TIM2, работающий в режиме формирования ШИМ сигнала. При системной частоте 160МГц его период — 16 «тиков».
АЦП получает запросы на запуск от таймера TIM2. Для формирования частоты 1.6МГц его период — 100 «тиков». Все данные от АЦП при помощи DMA сохраняются в массив, размер которого должен быть равен двойке в N степени. Оба таймера, АЦП и DMA запускаются один раз при включении и больше уже не отключаются. Таким образом, так как таймеры тактируются от одного источника, а одному периоду измеряемого сигнала соответствуют четыре выборки данных, получается, что в массив всегда попадет целое число периодов сигнала.
Так как останавливать DMA не желательно (это упрощает управление захватом данных), при заполнении первой половины массива генерируется прерывание. Обнаружив, что половина массива заполнена, контроллер копирует ее содержимое в другой массив (в целях упрощения программы вторая половина основного массива при этом не используется). После этого полученные данные обрабатываются — вычисляется средняя амплитуда и фаза сигнала, проводится пересчет фазового сдвига в расстояние.
Полученные величины выводятся на ЖК индикатор от кассового аппарата, также подключенный к отладочной плате.
Дальномер должен знать где находится начало отсчета. Для его калибровки при включении на «нулевом» расстоянии от дальномера устанавливается объект, после чего на отладочной плате нужно нажать кнопку, при этом измеренное значение дальности записывается в память, после чего это значение будет вычитаться из измеренной дальномером дальности.
Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам.
Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.
Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля.
Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч. Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.
А вот и фотографии получившейся конструкции:
На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.
Видео работы дальномера:
Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:
Использование отражателя:
Как видно, расстояние до отражателя — 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.
Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.
Программа контроллера: ссылка
habr.com
как выбрать электронную (цифровую) рулетку для строительства, как работает, как пользоваться
Лазерная рулетка незаменима в строительстве и отделке, туризме и лесничестве, во многих других отраслях. Ею можно производить замеры не только в помещениях, но и на улице. Ведь максимальная дальность измерения достигает 250 метров, а с использованием отражателя 900 метров. В отличие от обычной рулетки, электронная измеряет точнее, быстрее и без помощи второго человека. Как правильно выбрать строительный лазерный дальномер?
Устройство и принцип действия лазерной рулетки
Лазерная рулетка представляет собой небольшой прибор, состоящий из оптических и электронных компонентов.
Устройство лазерной рулетки
Устройство лазерной рулетки
- Корпус. У большинства приборов он сделан из пластика и имеет эргономичные вставки. Корпус защищает устройство от влаги и пыли.
- Излучатель сигнала.
- Приёмник сигнала.
- Преобразователь сигнала. Находится в корпусе. Преобразует световой формат в цифровой.
- Дисплей. На него выводятся полученные данные. Выполнен на жидких кристаллах. Для хорошей видимости в дневное время дисплей имеет сильную подсветку.
- Электронный блок управления. Расположен внутри корпуса.
- Аккумулятор.
- Панель управления с кнопками.
Лазерная рулетка не измеряет расстояние в буквальном смысле. Она обрабатывает полученные данные, преобразуя их в расстояние.
Схема работы лазерного дальномера
Принцип действия прибора заключается в следующем:
- Пользователь нажимает на кнопку;
- Прибор генерирует световой поток и с помощью излучателя посылает его в прямом направлении;
- Дойдя до цели, луч возвращается обратно, попадая в приёмник;
- Преобразователь конвертирует световой поток в цифровой сигнал;
- Процессор вычисляет расстояние исходя из времени прохождения луча туда и обратно, и скорости движения;
- Полученный результат выводится на дисплей. Скорость обработки данных у бытовых приборов до 3 секунд, а профессиональные срабатывают за долю секунды.
Функции и применение строительного дальномера
Лазерная рулетка не только измеряет расстояния, но и выполняет другие функции, в зависимости от модели:
Включение в прибор дополнительных функций увеличивает его стоимость.
Видео: обзор функций дальномера для строительства
Применение лазерного дальномера достаточно широко:
- строительство;
- ремонт и отделка помещений;
- производство и монтаж мебели;
- монтаж оборудования;
- топографическая съёмка;
- геодезия;
- ландшафтный дизайн;
- туризм и альпинизм;
- лесничество и охота;
- геология и археология;
- монтаж рекламных плакатов.
Как выбрать электронную рулетку
При выборе лазерной рулетки определите задачи, для которых вы будете её использовать, чтобы не переплачивать за наличие всевозможных функций прибора. Основные критерии выбора:
- класс прибора:
- бытовой. Дальность действия до 60 метров. Погрешность измерений 1,5 мм. Для замеров в квартире, частном доме или дачном участке этого вполне достаточно;
- профессиональный. Дальность действия до 250 метров и выше. Погрешность достигает 1 метра;
- класс лазера:
- 1-й класс имеет луч мощностью менее 1 мВт. Цвет зелёный и хорошо виден и безопасен для глаз. Такой тип лазера используется в профессиональных дальномерах;
- 2 класс имеет луч мощностью 1 мВт. Цвет красный. Опасен для человеческого глаза. Используется в бытовых дальномерах;
- наличие оптического прицела или визира. На бытовых приборах устанавливается редко;
Дальномер с оптическим прицелом
- количество начальных точек отсчёта. Это точки, от которых начинается замер. Их может быть от 1 до 4;
- корпус и линзы. На профессиональных устройствах корпус имеет защиту от влаги и пыли. Линзы невосприимчивы к высокой влажности и не запотевают. Такие приборы работают при температурах ниже 50 и выше 50 градусов;
- эргономичные вставки и противоударный буфер. Для того чтобы прибор не выскальзывал. Ну а если это произошло, чтобы не разбился. Для стройки полезная опция;
- производитель. Очень качественные дальномеры производят Bosch, Stabila и Leica. Среди китайских фирм пользуются спросом ADA и Condtrol;
- гарантия и сервис. Гарантия должна быть не менее 1 года. Также уточняйте наличие сервисной мастерской в вашем городе.
- комплектация. Некоторые модели комплектуются штативом или очками.
- наличие дополнительных функций. В зависимости от вида работ выберите функции, которые должны присутствовать в вашей рулетке.
Для строительства простых измерений расстояния, площади и объёма не достаточно. Присмотритесь к профессиональным приборам с расширенным функционалом.
Как пользоваться цифровым измерительным устройством
Лазерные рулетки разных моделей отличаются функционалом. Рассмотрим самые распространённые варианты используемых функций.
Кнопки панели управления
Кнопки панели управления
- 1 — кнопка включения прибора и запуска измерения;
- 2 — кнопка активации цифровой камеры;
- 3 — крестообразный джойстик. В центре расположена кнопка ввода действия и знака «равно»;
- 4 — кнопка отмены действия и выключения прибора;
- 5 — с помощью этих кнопок можно запрограммировать часто используемые функции. По одной функции на каждую кнопку;
- 6 — переход к просмотру и выбору функций;
- 7 — кнопки для простого сложения и вычитания.
Основные действия:
Рекомендации по использованию
- Если у вас нет оптического или цифрового визира, купите очки для лазерных приборов. С их помощью вы сможете видеть луч днём.
- Так как лазерные рулетки часто используются на строительных площадках, на них попадает много пыли. Поэтому прибор нужно протирать в конце работы. Хранить в сухом и чистом чехле.
Видео: как пользоваться электронной линейкой при строителных работах
Лазерная рулетка многофункциональна и удобна. Проста в использовании. Имея в арсенале такой прибор, вы сможете быстро произвести замеры для стройки или ремонта. Вам не придётся вручную высчитывать площади. При правильном выборе строительного дальномера со всеми необходимыми функциями вы получите незаменимый инструмент.
postroika.biz
Самодельный сканирующий лазерный дальномер / Habr
В этой статье я расскажу о том, как я делал самодельный лазерный сканирующий дальномер, использующий триангуляционный принцип измерения расстояния, и об опыте его использования на роботе.
Зачем нужен сканирующий дальномер?
На сегодняшний день в робототехнике не так уж и много методов навигации внутри помещений. Определение положения робота в пространстве с использованием лазерного сканера — один из них. Важное достоинство этого метода — он не требует установки в помещении каких-либо маяков. В отличие от систем, использующих распознавание изображения с камер, обработка данных с дальномера не так ресурсоемка. Но есть и недостаток — сложность, и соответственно, цена дальномера.
Традиционно в робототехнике используются лазерные сканеры, использующие фазовый или времяпролетный принцип для измерения расстояния до объектов. Реализация этих принципов требует довольно сложной схемотехники и дорогих деталей, хотя и характеристики при этом получаются приличные — используя эти принципы, можно добиться высокой скорости сканирования и большой дальности измерения расстояния.
Но для домашних экспериментов в робототехнике такие сканеры мало подходят — цена на них начинаются от 1000$.
На помощь приходят дальномеры, использующие триангуляционный принцип измерения расстояния. Дальномер такого типа впервые появился в роботах-пылесосах Neato:
Довольно быстро любители расшифровали протокол этого дальномера, и начали использовать его в своих проектах. Сами дальномеры в качестве запчастей появились на ebay в небольших количествах по цене около 100$. Через несколько лет китайская компания смогла выпустить сканирующий дальномер RPLIDAR, который поставлялся как полноценный прибор, а не запчасть. Только цена этих дальномеров оказалась достаточно высокой — 400$.
Самодельный дальномер
Как только я узнал о дальномерах Neato, мне захотелось собрать самому аналогичный. В конце концов, мне это удалось, и процесс сборки я описал на Робофоруме.
Первая версия дальномера:
Позже я сделал еще одну версию дальномера, более пригодную для использования на реальном роботе, но и ее качество работы не полностью устроило меня. Настало время третьей версии дальномера, и именно она будет описана далее.
Устройство сканирующего триангуляционного лазерного дальномера
Принцип измерения расстояния до объекта основан на измерении угла между лазерным лучом, попадающим на объект, и объективом дальномера. Зная расстояние лазер-объектив (h) и измеренный угол, можно вычислить расстояние до объекта — чем меньше угол, тем больше расстояние.
Принцип хорошо иллюстрирует картинка из статьи:
Таким образом, ключевые оптические компоненты такого дальномера — лазер, объектив и фотоприемная линейка.
Так как дальномер сканирующий, то все эти детали, а так же управляющая электроника устанавливаются на вращающейся головке.
Тут может возникнуть вопрос — зачем нужно вращать оптику и электронику, ведь можно установить вращающееся зеркало? Проблема в том, что точность дальномера зависит от расстояния между объективом и лазером (базового расстояния), так что оно должно быть достаточно большим. Соответственно, для кругового сканирования понадобится зеркало диаметром, большим базового расстояния. Дальномер с таким зеркалом получается достаточно громоздким.
Сканирующая головка дальномера при помощи подшипника закрепляется на неподвижном основании. На нем же закрепляется двигатель, вращающий головку. Также в состав дальномера должен входить энкодер, предназначенный для получения информации о положении головки.
Как видно, дальномеры Neato, RPLIDAR и мои самодельные сделаны именно по этой схеме.
Самое сложное в самодельном дальномере — изготовление механической части. Именно ее работа вызывала у меня больше всего нареканий в ранних версиях дальномера. Сложность заключается в изготовлении сканирующей головки, которая должна быть прочно закреплена на подшипнике, вращаться без биений и при этом не нее нужно каким-то образом передавать электрические сигналы.
Во второй версии дальномера первые две проблемы я решил, использовав части старого HDD — сам диск использовался как основание сканирующей головки, а двигатель, на котором он закреплен, уже содержал качественные подшипники. В то же время, при этом возникла третья проблема — электрические линии можно было провести только через небольшое отверстие в оси двигателя. Мне удалось сделать самодельный щеточный узел на 3 линии, закрепленный в этом отверстии, но получившаяся конструкция получилась шумной и ненадежной. При этом возникла еще одна проблема — линии, чтобы пробросить сигнал энкодера, не было, и датчик энкодера в такой конструкции должен быть установлен на головке, а диск энкодера с метками — на неподвижном основании. Диск энкодера получился не жестким, и это часто вызывало проблемы.
Фотография второй версии дальномера:
Еще один недостаток получившегося дальномера — низкая скорость сканирования и сильное падение точности на расстояниях больше 3м.
Именно эти недостатки я решил устранить в третьей версии дальномера.
Электроника
В принципе, электронная часть триангуляционного дальномера достаточно проста и содержит всего два ключевых компонента -светочувствительную линейку и микроконтроллер. Если с выбором контроллера проблем нет, то с линейкой все значительно сложнее. Светочувствительная линейка, используемая в подобном дальномере, должна одновременно иметь достаточно высокую световую чувствительность, позволять считывать сигнал с высокой скоростью и иметь маленькие габариты. Различные CCD линейки, применяемые в бытовых сканерах, обычно довольно длинные. Линейки, используемые в сканерах штрихкодов — тоже не самые короткие и быстрые.
В первой и второй версии дальномера я использовал линейки TSL1401 и ее аналог iC-LF1401. Эти линейки хорошо подходят по размеру, они дешевые, но содержат всего 128 пикселей. Для точного измерения расстояния до 3 метров этого мало, и спасает только возможность субпискельного анализа изображения.
В третьей версии дальномера я решил использовать линейку ELIS-1024:
Однако купить ее оказалось непросто. У основных поставщиков электроники этих линеек просто нет.
Первая линейка, которую я смог купить на Taobao, оказалась нерабочей. Второю я купил на Aliexpress (за 18$), она оказалась рабочей. Обе линейки выглядели паянными — обе имели облуженные контакты и, судя по маркировке, были изготовлены в 2007 году. Причем даже на фотографиях у большинства китайских продавцов линейки именно такие. Похоже, что действительно новую линейку ELIS-1024 можно купить только напрямую у производителя.
Светочувствительная линейка ELIS-1024, как следует из названия, содержит 1024 пикселя. Она имеет аналоговый выход, и достаточно просто управляется.
Еще более хорошими характеристиками обладает линейка DLIS-2K. При сходных размерах, она содержит 2048 пикселей и имеет цифровой выход. Насколько мне известно, именно она используется в дальномере Neato, и возможно, в RPLIDAR. Однако, найти ее в свободной продаже очень сложно, даже в китайских магазинах она появляется не часто и дорого стоит — более 50$.
Так как я решил использовать линейку с аналоговым выходом сигнала, то микроконтроллер дальномера должен содержать достаточно быстрый АЦП. Поэтому я решил использовать серию контроллеров — STM32F303, которые, при относительно небольшой стоимости, имеют несколько быстрых АЦП, способных работать одновременно.
В результате у меня получилась такая схема:
Сигнал с линейки (вывод 10) имеет достаточно высокий уровень постоянной составляющей, и ее приходится отфильтровывать при помощи разделительного конденсатора.
Далее сигнал нужно усилить — для этого используется операционный усилитель AD8061. Далеко расположенные объекты дают достаточно слабый сигнал, так что пришлось установить коэффициент усиления равным 100.
Как оказалось в результате экспериментов, даже при отсутствии сигнала, на выходе выбранного ОУ по какой-то причине постоянно присутствует напряжение около 1.5В, что мешает обработке результатов и ухудшает точность измерения амплитуды сигнала. Для того, чтобы избавится от этого смещения, мне пришлось подать дополнительное напряжение на инвертирующий вход ОУ.
Плату разводил двухстороннюю, сделать такую плату в домашних условиях качественно довольно сложно, так что заказал изготовление плат в Китае (пришлось заказать сразу 10 штук):
В этом дальномере я использовал дешевый объектив с резьбой M12, имеющий фокусное расстояние 16мм. Объектив закреплен на печатной плате при помощи готового держателя объектива (такие используются в различных камерах).
Лазер в данном дальномере — инфракрасный (780 нм) лазерный модуль, мощностью 3.5 мВт.
Изначально я предполагал, что излучение лазера нужно будет модулировать, но позже оказалось, что с используемой линейкой в этом нет смысла, и поэтому сейчас лазер включен постоянно.
Для проверки работоспособности электроники была собрана вот такая конструкция, имитирующая сканирующую головку дальномера:
Уже в таком виде можно было проверить, какую точность измерения расстояния позволяет обеспечить дальномер.
Для анализа сигнала, формируемого линейкой, были написаны тестовые программы для микроконтроллера и ПК.
Пример вида сигнала с линейки (объект на расстоянии 3 м).
Изначально схема была не совсем такая, как приведена выше. В ходе экспериментов мне пришлось частично переделать изначальную схему, так что, как видно из фотографий, некоторые детали пришлось установить навесным монтажом.
Механическая часть
После того, как электроника была отлажена, настало время изготовить механическую часть.
В этот раз я не стал связываться с механикой из HDD, и решил изготовить механические детали из жидкого пластика, заливаемого в силиконовую форму. Эта технология подробно описана в Интернете, в том числе и на Гиктаймс.
Уже после того, как я изготовил детали, стало понятно, что изготовить детали на 3D принтере было бы проще, они могли выйти тверже, и возможно, можно было бы сделать одну деталь вместо двух. Доступа к 3D принтеру у меня нет, так что пришлось бы заказывать изготовление детали в какой-либо компании.
Фото одной из деталей сканирующей головки дальномера:
Эта деталь является основой головки. Она состоит из втулки, на которую позже надевается подшипник, и диска. Диск предназначен для крепления второй детали башни, кроме того, на него снизу наклеивается диск энкодера.
Втулка и диск содержат сквозное отверстие, в которое вставляется покупной щеточный узел на 6 линий — его видно на фотографии. Именно те провода, что видны на фотографии, могут вращаться относительно корпуса этого узла. Для повышения стабильности работы для передачи сигналов GND и UART TX используется 2 пары линий щеток. Оставшиеся 2 линии используются для передачи напряжения питания и сигнала энкодера.
Силиконовая форма для отливки этой детали:
Вторая деталь сканирующей головки была изготовлена тем же способом. Она предназначена для крепления печатной платы и лазера к диску. К сожалению, фотографий изготовления этой детали у меня не сохранилось, так что ее можно увидеть только в составе дальномера.
Для крепления сканирующей головки к основанию дальномера используется шариковый подшипник. Я использовал дешевый китайский подшипник 6806ZZ. Честно говоря, качество подшипника мне не понравилось — ось его внутренней втулки могла отклонятся относительно оси внешней на небольшой угол, из-за чего головка дальномера тоже немного наклоняется. Крепление подшипника к детали с диском и основанию будет показано ниже.
Основание я сделал из прозрачного оргстекла толщиной 5 мм. К основанию крепится подшипник, датчик энкодера, двигатель дальномера и маленькая печатная плата. Само основание устанавливается на любую подходящую поверхность при помощи стоек.
Вот так выглядит основание дальномера снизу:
Печатная плата содержит регулируемый линейный стабилизатор напряжения для питания двигателя, и площадки для подключения проводов узла щеток. Сюда же подводится питание дальномера.
Как и в других дальномерах, двигатель вращает сканирующую головку при помощи пассика. Для того, чтобы он не сваливался с втулки, на ней имеется специальное углубление.
Как видно из фотографии, подшипник закреплен в основании при помощи трех винтов. На сканирующей головке подшипник удерживается за счет выступа на втулке и прижимается к ней другими винтами, одновременно удерживающими щеточный узел.
Энкодер состоит из бумажного диска с напечатанными рисками и оптопары с фототранзистором, работающей на отражение. Оптопара закреплена при помощи стойки на основании так, что плоскость диска оказывается рядом с ней:
Сигнал от оптопары через щетки передается на вход компаратора микроконтроллера. В качестве источника опорного напряжения для компаратора выступает ЦАП микроконтроллера.
Для того, чтобы дальномер мог определить положение нулевого угла, на диск энкодера нанесена длинная риска, отмечающая нулевое положение головки (она видна справа на фотографии выше).
Вот так выглядит собранный дальномер:
Вид сверху:
Разъем сзади дальномера используется для прошивки микроконтроллера.
Для балансировки сканирующей головки на нее спереди устанавливается крупная гайка — она практически полностью устраняет вибрацию при вращении головки.
Собранный дальномер нужно отюстировать — установить лазер в такое положение, чтобы отраженный от объектов свет попадал на фотоприемную линейку. Обе пластмассовые детали содержат соосные отверстия, располагающиеся под пазом лазера. В отверстия вворачиваются регулировочные винты, упирающиеся в корпус лазера. Поворачивая эти винты, можно изменять наклон лазера.
Наблюдая в программе на компьютере форму и амплитуду принятого сигнала и изменяя наклон лазера, нужно добиться максимальной амплитуды сигнала.
Также триангуляционные дальномеры требуют проведения калибровки, о чем я писал ранее:
Для того, чтобы при помощи датчика можно было измерять расстояние, нужно произвести его калибровку, т.е. определить закон, связывающий результат, возвращаемый датчиком, и реальное расстояние. Сам процесс калибровки представляет собой серию измерений, в результате которых формируется набор расстояний от датчика до некоторого объекта, и соответствующих им результатов.
В данном случае калибровка представляла собой серию измерений расстояний до различных объектов самодельным дальномером и лазерной рулеткой, после чего по полученным парам измерений выполняется регрессионный анализ и составляется математическое выражение.
Получившийся дальномер имеет существенный недостаток — из-за отсутствия модуляции излучения лазера он некорректно работает при любой сильной засветке. Обычное комнатное освещение (даже при использовании мощной люстры) не влияет на работу дальномера, но вот расстояние до поверхностей, прямо освещенных Солнцем, дальномер измеряет неправильно. Для решения этой проблемы в состав дальномера нужно включить интерференционный светофильтр, пропускающий световое излучение только определенной длины волны — в данном случае 780 нм.
Эволюция самодельных дальномеров:
Габаритные размеры получившегося дальномера:
Размер основания: 88×110 мм.
Общая высота дальномера: 65 мм (может быть уменьшена до 55 при уменьшении высоты стоек).
Диаметр сканирующей головки: 80 мм (как у mini-CD диска).
Как и у любого другого триангуляционного дальномера, точность измерения расстояния этого дальномера резко падает с ростом расстояния.
При измерениях расстояния до объекта с коэффициентом отражения около 0.7 у меня получились примерно такие точностные характеристики:
| Расстояние | Разброс |
|---|---|
| 1 м | <1 см |
| 2 м | 2 см |
| 5 м | 7 см |
Стоимость изготовления дальномера:
| DIY, $ | Опт., $ | |
|---|---|---|
| Основание | ||
| Пластина основания | 1,00 | 0,50 |
| Двигатель | 0,00 | 1,00 |
| Подшипник | 1,50 | 1,00 |
| Щеточный узел | 7,50 | 5,00 |
| Крепежные детали | 0,00 | 2,00 |
| Сканирующая головка | ||
| Контроллер STM32F303CBT6 | 5,00 | 4,00 |
| Фотоприемная линейка | 18,00 | 12,00 |
| Остальная электроника | 4,00 | 3,00 |
| Плата | 1,50 | 0,50 |
| Объектив | 2,00 | 1,50 |
| Держатель объектива | 1,00 | 0,50 |
| Лазер | 1,00 | 0,80 |
| Пластиковые детали | 3,00 | 2,00 |
| Крепежные детали | 0,00 | 1,00 |
| Сборка | 0,00 | 20,00 |
| Итого: | 45,50 | 54,80 |
В первой колонке — во сколько дальномер обошелся мне, во второй — сколько он мог бы стоить при промышленном изготовлении (оценка очень приблизительная).
Программная часть дальномера
Перед написанием программы нужно рассчитать тактовую частоту, на которой будет работать фотоприемная линейка.
В старых версиях дальномера частота сканирования была ограничена 3 Гц, в новом дальномере я решил сделать ее выше — 6Гц (это учитывалось при выборе линейки). Дальномер делает 360 измерений на один оборот, так что при указанной скорости он должен быть способен производить 2160 измерений в секунду, то есть одно измерение должно занимать менее 460 мкс. Каждое измерение состоит из двух этапов — экспозиция (накопление света линейкой) и считывание данных с линейки. Чем быстрее будет произведено считывание сигнала, тем длиннее может быть время экспозиции, а значит, и тем больше будет амплитуда сигнала. При тактовой частоте линейки 8 МГц время считывания 1024 пикселей будет составлять 128 мкс, при 6 МГц — 170 мкс.
При тактовой частоте микроконтроллера серии STM32F303 в 72 МГц максимальная частота выборок АЦП — 6 MSPS (при разрядности преобразования 10 бит). Так как я хотел проверить работу дальномера при тактовой частоте линейки 8 МГц, я решил использовать режим работы АЦП, в котором два АЦП работают одновременно (Dual ADC mode — Interleaved mode). В этом режиме по сигналу от внешнего источника начала запускается ADC1, а затем, через настраиваемое время, ADC2:
Как видно из диаграммы, суммарная частота выборок АЦП в два раза выше, чем частота триггера (в данном случае это сигнал от таймера TIM1).
При этом TIM1 также должен формировать сигнал тактовой частоты для фотоприемной линейки, синхронный с выборками АЦП.
Чтобы получить с одного таймера два сигнала с частотами, различающимися в два раза, можно переключить один из каналов таймера в режим TIM_OCMode_Toggle, а второй канал должен формировать обычный ШИМ сигнал.
Структурная схема программы дальномера:
Ключевой частью программы является именно захват данных с линейки и управление ей. Как видно из схемы, этот процесс идет на аппаратном уровне, за счет совместной работы TIM1, ADC1/2 и DMA. Для того, чтобы время экспозиции линейки было постоянным, используется таймер TIM17, работающий в режиме Single Pulse.
Таймер TIM3 генерирует прерывания при срабатывании компаратора, соединенного с энкодером. За счет этого рассчитывается период вращения сканирующей головки дальномера и ее положение. По полученному периоду вращения рассчитывается период таймера TIM16 таким образом, чтобы он формировал прерывания при повороте головки на 1 градус. Именно эти прерывания служат для запуска экспозиции линейки.
После того, как DMA передаст все 1024 значения, захваченные ADC, в память контроллера, программа начинает анализ эти данных: сначала производится поиск положения максимума сигнала с точностью до пикселя, затем, при помощи алгоритма поиска центра тяжести — с более высокой точностью (0.1 пикселя). Полученное значение сохраняется в массив результатов. После того, как сканирующая головка сделает полный оборот, в момент прохождения нуля этот массив предаются в модуль UART при помощи еще одного канала DMA.
Использование дальномера
Качество работы этого дальномера, как предыдущих, проверялось при помощи самописной программы. Ниже пример изображения, формируемого этой программой в результате работы дальномера:
Однако дальномер делался не для того, чтобы просто лежать на столе — он был установлен на старый пылесос Roomba 400 вместо дальномера второй версии:
Также на роботе установлен компьютер Orange Pi PC, предназначенный для управления роботом и связи с ним.
Как оказалось, из-за большой просадки напряжения на линейном источнике питания двигателя дальномера, для работы на скорости 6 об/сек дальномеру требуется питающее напряжение 6В. Поэтому Orange Pi и дальномер питаются от отдельных DC-DC преобразователей.
Для управления роботом и анализа данных от дальномера я использую ROS.
Данные от дальномера обрабатываются специальным ROS-драйвером (основанном на драйвере дальномера Neato), который получает по UART данные от дальномера, пересчитывает их в расстояния до объектов (используя данные калибровки) и публикует их в стандартном формате ROS.
Вот так выглядит полученная информация в rviz (программа для визуализации данных ROS), робот установлен на полу:
Длина стороны клетки — 1 метр.
После того, как данные попали в ROS, их можно обрабатывать, используя уже готовые пакеты программ. Для того, чтобы построить карту квартиры, я использовал hector_slam. Для справки: SLAM — метод одновременного построения карты местности и определения положения робота на ней.
Пример получившейся карты квартиры (форма несколько необычна, потому что дальномер «видит» мебель, а не стены, и не все комнаты показаны):
ROS позволяет объединять несколько программ («узлов» в терминологии ROS), работающих на разных компьютерах, в единую систему. Благодаря этому, на Orange Pi можно запускать только ROS-драйверы Roomba и дальномера, а анализ данных и управление роботом вести с другого компьютера. При этом эксперименты показали, что hector_slam нормально работает и на Orange Pi, приемлемо загружая процессор, так что вполне реально организовать полностью автономную работу робота.
Система SLAM благодаря данным от дальномера позволяет роботу определять свое положение в пространстве. Используя данные о положении робота и построенную карту, можно организовать навигационную систему, позволяющую «направить» робота в указанную точку на карте. ROS содержит в себе пакет программ для решения этой задачи, но, к сожалению, я так и не смог заставить его качественно работать.
Видео работы дальномера:
Более подробное видео построения карты при помощи hector_slam:
Исходные коды программы контроллера
P. S. Также у меня есть проект более простого лидара.
habr.com
Выбор и принцип работы лазерной рулетки. Как выбрать лазерную рулетку?
Классификация лазерных дальномеров
Лазерные дальномеры отличная альтернатива обычным рулеткам. Они обладают целым рядом преимуществ:
- функция вычисления объема и площадей
- возможность передачи данных на ПК
- возможность использования для отдаленных объектов
- не засоряются
- противоударные
- влагоустойчивые
- работает в неблагоприятных условиях
В зависимости от области использования, лазерные рулетки можно разделить на дальномеры, которые применяются в строительстве и для рыбалки. В зависимости от принципа действия дальномеры делятся на импульсивные и фазовые.
Принцип действия лазерной рулетки
Принцип работы лазерного дальномера заключается в излучении инфракрасных волн, которые при достижении определенной цели мгновенно отображают информацию на мониторе. Работают дальномеры на батарейках, заряда которых хватает на длительный период эксплуатации прибора.
Импульсивные лазерные дальномеры работают на основе встроенного импульсивного лазера и детектора излучения. Принцип действия заключается в том, что сначала запускается счетчик, который измеряет промежуток времени, необходимый, чтоб инфракрасная волна достигла своей цели и затем обратно. Отключение счетчика происходит автоматически сразу после возвращения инфракрасного луча. После чего, учитывая время, зафиксированное прибором и скорость инфракрасной волны, рассчитывается расстояние до объекта.
Фазовые лазерные рулетки отличаются высокой точностью расчетов. В основу принципа их действия положен синусоидальный закон, следуя которому высчитывается разность между фазами отправленного и отраженного сигналов.
Режимы дальномеров
Лазерные рулетки работают в четырех разных режимах:
- стандартном (нормальные условия работы)
- сканирования показателей объектов (в случае усложненных задач измерения)
- дождя (работа в плохих погодных условиях)
- зеркальном (для расчетов и замеров отражающегося объекта)
Лазерные рулетки – незаменимый прибор и полезная вещь особенно в условиях, где обычная рулетка совсем не справится, например, при замерах глубины колодцев, тоннелей, шахт или недоступных объектов.
Как правильно выбрать лазерную рулетку?
Прежде чем выбрать лазерную рулетку, необходимо точно знать, что вы будете с ней делать. Поскольку от функционала и предназначения будет зависеть и ее стоимость. Например, если вам нужна рулетка для личного использования в бытовых условиях, нет смысла покупать дорогостоящий профессиональный дальномер, так как это пустая трата средств и набор ненужных функций.
Чтобы определиться, нужна ли вам бытовая или профессиональная рулетка, нужно понимать, в чем их отличия.
Профессиональные лазерные дальномеры отличаются возможностью измерять объекты на расстоянии до 200 метров, вычислением объемов и площадей, функцией косвенных измерений, наличием запоминающего устройства, выполнением сложных математических действий. Профессиональные дальномеры предназначены для работы в более жестких условиях, поэтому они более прочные, нежели бытовые. Также они отличаются высокой ценовой категорией. Швейцарский производитель LEICA Geosystems выпускает целый ряд профессиональных лазерных измерительных приборов, которые отвечают высоким стандартам качества и зарегистрированы в Государственном реестре.
Бытовые лазерные рулетки, предназначены исключительно для использования в быту и измерений на небольших расстояниях. В таких дальномерах, как правило, стандартный ограниченный набор функций и сравнительно невысокая ценовая категория. Высокого качества бытовые рулетки выпускает американская фирма «condtrol». Работает бытовая рулетка на расстоянии не более 60 метров и оснащена функцией измерения труднодоступных и недоступных объектов.
При выборе лазерной рулетки нужно ориентировать исключительно на набор необходимых функций, поскольку расширенный функционал может быть абсолютно бесполезным и довольно затратным. Но экономить на дальномере конкретной категории также не стоит, поскольку вы платите не за количество функций, а за качество прибора.
rumpus.ru
Лазерный дальномер — рулетка, линейка для работы в помещениях и на местности
Существует множество способов измерения расстояний – шагами, линейкой, рулеткой и пр. ХХ век добавил в средства измерений такой прибор, как лазерный дальномер. Его широко применяют военные, геодезисты для съемки местности. Лазерный дальномер был использован для замера расстояния до земного спутника – Луны.
Использование лазерного дальномераВ наши дни дальномеры, уровни, использующие лазер в своей работе, можно встретить у любой строительной бригады, занимающейся возведением зданий, и внутренней отделкой внутренней.
Принцип работы
Лазерные измерительные приборы используют в своей работе два принципа – импульсный и фазовый.
Первый дальномер состоит из двух компонент – лазера и детектора. Замерив время, которое лазерный луч затратить на движение по пути от источника до отражающего объекта, можно вычислить точное расстояние между ними. Эти устройства применяют для работы на больших расстояниях. Технология работы заключается в следующем, лазер генерирует мощный импульс и отключается. Такое свойство позволяет его скрытно использовать. Это свойство и является решающим фактором, определяющим использования этого прибора военными.
Второй тип, фазовый, работает по следующему принципу. Лазер на некоторое время включает и направляет луч на удаленный объект, у него (луча) разная моделированная частота и по изменению фазы рассчитывают расстояние до объекта. Фазовые измерительные расстояния не имеют приборов для замера отражаемого сигнала. Эти приборы эффективны на расстояниях до 1 километра и поэтому их применяют для бытовых нужд или в качестве прицельных устройств для стрелкового оружия.
Схема действия лазерного дальномера
Лазерный дальномер, применяемый в быту и на строительстве, по сути, является смесью калькулятора и рулетки. Между тем такой прибор обладает рядом неоспоримых достоинств:
- это устройство предоставляет возможность выполнения измерения линейных размеров (длина, высота, ширина), при этом встроенный калькулятор автоматически рассчитает периметр. Кроме того, счетное устройство поможет определить объем помещения;
- дальномер оснащен возможностью хранения полученных данных во внутренней памяти. Их можно использовать для проведения расчетов;
- прибор позволяет измерять расстояние на удаленных расстояниях при чьей-либо помощи, кстати, замеры можно выполнять и на закрытых и на открытых площадках, в разных погодных условиях.
Особенности
При работе с лазерным дальномером целесообразно учитывать некоторые особенности работы с этим устройством.
Дальномеры имеют возможность выполнять измерения на разных расстояниях и с определенной погрешностью. Так, предельное расстояние может лежать в диапазоне от 60 до 200 метров, при погрешности в 5 см. Эти данные указываются в паспорте на изделие. Большая часть моделей дальномеров работает в пределах от – 10 до + 50 градусов.
При эксплуатации прибора на улице, необходимо помнить о том, что не последнюю роль играют погодные условия. Эффективность работы может быть снижена как в плохую, так и в солнечную погоду.
Ключевые особенности
При выполнении замеров необходимо устранить препятствия, которые могут возникнуть между прибором и объектом, это, может быть, листва, стекло и пр.
Практика использования лазерных приборов измерения привела к появлению определенных правил работы. Например, результат измерений будет искажен, если луч будет направлен на поверхность с высокой отражающей поверхностью (зеркало, фольга). Результат будет не совсем верный, если луч будет направлен на объект с низкой отражательной способностью (толь).
Для получения предельно точных результатов используют специальное приспособление ,обладающее отражательной поверхностью.
Во время эксплуатации необходимо постоянно следить за состоянием аккумуляторов или батареек. Слабые источники тока также отрицательно влияют результаты измерений.
При проведении измерений целесообразно использовать штатив. В таком случае точность замера будет повышена.
Порядок работы с лазерной рулеткой
Использование лазерного дальномера на практике это довольно простая задача. Для выполнения измерения достаточно установить его в исходную точку, направить на объект, до которого необходимо выполнить замер и активировать прибор. При этом надо помнить то, что для повышения точности целесообразно использовать штатив, особенно это актуально при измерении больших величин.
Порядок работы с лазерной рулеткой
То есть, проводить выполнения замеров, может, даже один человек без привлечения, помощников.
Правила пользования
При работе с такими устройствами необходимо соблюдать определенные правила. Так, категорически недопустимо направлять лазерный луч в сторону человека. Его попадание в глаза может привести к непоправимым последствиям, вплоть до потери зрения.
Проведение измерений при ярком солнце может быть затруднено из-за сложностей с видимостью лазерного маркера. В таком случае необходимо использовать специальные очки, через которые сразу будет его видно.
Лазерная съемка на местности
Во время выполнения измерения на улице, особенно на большие расстояния, необходимо применять пластину, которую называют визир.
Устройство компактного лазерного строительного дальномера
Несмотря на внешнюю простоту, лазерная линейка – это сложный инженерный прибор. Устройство лазерного дальномера состоит из следующих узлов:
Схема работы лазерного дальномера
- Излучатель – он генерирует луч и отправляет его в нужную точку.
- Отражатель – он необходим для приема, отраженного от объекта луча.
- Микропроцессор, для выполнения необходимых расчетов.
- Предустановленная программа необходимая для обработки полученных при замерах данных.
- Прицел, позволяющий направить луч в необходимое место.
- Уровень, с помощью которого прибор можно строго выставить в горизонтальной или вертикальной плоскости.
Дополнительные функции
Применяемая в составе лазерных дальномеров микроэлектроника позволяет не только выполнять прямые замеры. Многие устройства подобного типа обладают некоторыми дополнительными функции, к которым можно отнести:
- Функция непрерывного измерения. При работе в обычном режиме дальномер при нажатии кнопки на пульте фиксирует результат и выводит его на монитор. Но, довольно часто, возникает необходимость в проведении постоянного измерения расстояния, например, от стены до будущей перегородки. Для этого прибор переводят в режим непрерывного измерения. В таком режиме работы, устройство с некоторой частотой самостоятельно выполняет замер и показывает их результаты на монитор. Измерение проходит в реальном режиме времени.
- Определение наибольшего и наименьшего расстояния. Эта функция полезна при определении диагонали в комнате. Дело в том, что выполнить ее замер не так и просто при направлении лазерного луча можно промахнуться и в результате будут получены неточные результаты. После установки на приборе минимального расстояния, он будет фиксировать только те замеры, которые больше установленной.
Лазерные дальномеры для работы в помещениях или на небольших дистанциях
Все дальномеры, можно условно разделить на две большие группы. Одни применяют для внутренних работы, другие для внешних. Диапазон измерений, дальномеров, которые предназначены для внутренних измерений как правило, не превышает 100 метров.
Лазерный дальномер для работы в помещениях
Для таких работ могут быть использованы дальномеры, которые используют оба принципа действия.
Лазерные дальномеры для работы на местности
Лазерные дальномеры, которые применяют для работы на улице, позволяют показать результат при работе на 300 и более метров.
Лазерные дальномеры для работы на местности
Они оснащаются необходимыми приспособлениями, позволяющими выполнять измерения на таком расстоянии.
На что смотреть при выборе лазерного дальномера
На рынке представлено множество моделей лазерных дальномеров и зачастую потребитель может просто запутаться в обилии предложении. Поэтому потребитель, делая выбор лазерного дальномера, может руководствоваться определенными критериями, среди которых есть такие:
- Для работ внутри помещения достаточно прибора, который может выполнять замеры углов, и иметь функции, например, расчет периметра. Рулетки этого класса имеют небольшой диапазон измерений примерно в пределах 100 метров.
- Для работ на открытых пространствах применяют более дорогие модели. Они оснащены большим набором функций, в частности, может выполнять замер минимального и максимального измерения. Кроме того, их оснащают визирами, средствами подключения к компьютеру.
- Для работ на улице должны использоваться приборы, выполненные в защищенных корпусах и иметь кейсы, предназначенные для транспортировки.
- Разумеется, не последнюю роль играет стоимость изделия. Так, устройства, предназначенные для работы внутри помещений, стоит несколько дешевле, чем те, которые предназначены для работ на открытых пространствах.
- Конечно, нельзя обойти вопрос, а какая компания произвела продукцию. Стабильным спросом пользуются приборы, произведенные в компании Makita, Bosch, Hilti и некоторых других. Кстати, при покупке такого прибора, целесообразно уточнить наличие документов, подтверждающих качество и безопасность этих устройств. Дело в том, что популярность таких приборов, привела к тому, что на рынке существует большое количество приборов низкого качества изготовления.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
stankiexpert.ru
Лазерная рулетка: принцип работы, устройство, возможности, выбор
Читайте в этой публикации:
Лазерная рулетка: устройство и принцип работы
Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все
Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание
Семь раз отмерь – один отрежь. Так гласит народная мудрость, позволяющая выполнять работы по изготовлению чего-либо точно и без погрешностей. Именно для этого и был создан такой измерительный инструмент, как рулетка – за время своего существования она претерпела ряд значительных изменений. В старину она представляла собой обычную палку-мерялку, в век механики она приобрела вид скрученной ленты, а в наш век электроники она представляет собой небольшой приборчик, работающий по принципу отражения сфокусированного светового потока (лазерного луча). Лазерная рулетка отличается высокой точностью и широкими возможностями, о которых пойдет разговор в данной статье. Вместе с сайтом stroisovety.org мы разберемся с устройством и принципом работы данного измерительного инструмента, изучим его возможности и критерии выбора.
Как выбрать лазерную рулетку фото
Лазерная рулетка: устройство и принцип работы
Принцип работы лазерного дальномера (рулетки) довольно простой и основан он на способности твердых тел отражать сигналы различного типа – практически так же работает и масса других подобных приборов. Например, эхолот или металлоискатель – разница между ними заключается только в типе используемого излучения. В случае с дальномером используется сконцентрированный световой поток, именуемый лазерным лучом. Специальный излучатель рулетки выпускает луч, который отражается от твердого тела и возвращается назад – отражение улавливает приемник и на основе задержки во времени между выпущенным и принятым сигналом рассчитывается расстояние. Погрешность при этом, в зависимости от расстояния до цели, может составлять максимум 1мм.
Как устроена такая рулетка? Стандартно она представляет собой набор следующих компонентов.
- Корпус. В большинстве случаев пластиковый, с противоскользящими и противоударными вставками. Как правило, защищает само устройство от проникновения пыли и влаги.
- Лазерный излучатель – в серьезных профессиональных инструментах дополняется оптикой с защитой от запотевания.
- Приемник (он же оптический фильтр). Служит для приема отраженного сигнала. Также оборудуется защищающей от запотевания оптикой.
- Преобразователь сигнала. Конвертирует световой сигнал в цифровой сигнал.
- Дисплей для вывода данных измерения. Как правило, черно-белый, жидкокристаллический.
- Блок управления – рабочая плата, запрограммированная в особый режим работы. Именно она отвечает за все расчеты и вообще полностью за адекватную работу лазерного дальномера.
Лазерные дальномеры рулетки фото
Кроме всего прочего, строительный лазерный дальномер укомплектовывается и различными вспомогательными приспособлениями – например, профессиональные модели измерителя комплектуются оптическим прицелом, без которого не обойтись в процессе измерений на большие расстояния. К слову говоря, профессиональные модели лазерной рулетки могут работать на расстоянии до 250м – зрительно (без оптики) правильно определить наводку луча человек физически не в состоянии. Также зачастую применяется штатив, различные пузырьковые уровни и многое другое. В общем, по итогу профессиональное оборудование данного типа может представлять собой полноценный измерительный комплекс.
Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все
Современная измерительная лазерная рулетка может многое, но самое важное из того, что она может делать, это производить точные измерения на определенном расстоянии. Именно на определенном, так как у каждого инструмента имеется свой предел – так называемая дальнобойность. В зависимости от нее, рулетки данного типа разделяются на бытовые и профессиональные – первые способны производить измерения на расстояниях максимум до 60мм, а дальнобойность вторых достигает 250м. Мало того, и тот и другой класс лазерных измерителей расстояний имеет свои ограничения – рулетки производятся с определенной дальностью. Самая «короткая» из них работает на расстоянии до 18м. Дальше они могут иметь различия в дальнобойности с шагом в 10м – чем больше у рулетки этот показатель, тем ее стоимость выше.
Это не единственная возможность инструмента данного типа. Кроме этого, электронная лазерная рулетка может делать и следующие вещи.
- Сохранять в памяти сделанные измерения и посредством средств коммуникации передавать их на компьютер – в большинстве случаев здесь используется проводное соединение.
- Производить расчеты площади, объема и даже периметра – складывать их или вычислять разницу. В большинстве случаев касательно строительства именно к этому и сводятся все производимые измерения.
- Производить косвенные вычисления, используя теорему Пифагора. Довольно важная функция в процессе измерений объектов, к которым нет прямого доступа. К примеру, стоя перед зданием и направляя луч рулетки в его стену, измеритель достаточно легко, а главное с высокой точностью, может определить его высоту.
- Вычисление диагоналей – функция именуется «Поиск максимального расстояния». А измерение диагоналей – это лишь ее приятное приложение.
- Серьезные дальномеры могут оборудоваться даже автоматическим режимом работы, при котором замерщику приходится только ходить и устанавливать специальные мишени в необходимых местах.
Лазерная рулетка фото
Как ни странно, это еще далеко не все возможности современных лазерных дальномеров – по большому счету, они могут быть дополнены любыми вычислительными программами, которые в быту и в некоторых сферах строительства могут оказаться лишними. Именно по этой причине и существует стандартная комплектация, включающая в себя описанные выше возможности инструмента. Следует понимать, что чем больше возможностей имеет лазерная строительная рулетка, тем больше денег придется выложить за инструмент.
Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание
По большому счету, критериев выбора лазерной рулетки не так уж и много – как говорится, их можно сосчитать на пальцах одной руки.
- Необходимая дальнобойность. Переплачивать деньги и приобретать рулетку с максимальной дальностью инструментов смысла нет никакого. Если инструмент приобретается для бытового использования дома, то можно останавливать выбор на минимальной дальности. Также измерения на большие расстояния не производятся и в процессе выполнения квартирного ремонта – здесь, конечно, можно взять небольшой запас в пределах десяти-двадцати метров максимум.
- Точность измерений. Она зависит от двух факторов – от заводских установок и качества самой рулетки. К примеру, китайская продукция данного типа стоимостью до 20$ не то что точно измерять не умеет, а противоречит сама себе – одно и то же расстояние при каждом измерении показывает разным. Здесь следует быть очень осторожным при выборе.
- Функционал. Выбор здесь большой, и человеку придется определиться с самыми важными вещами – как и говорилось выше, наличие определенной функции в инструменте влечет за собой повышение его стоимости. Для бытовых нужд и в процессе ремонта квартир и домов вполне нормально обходиться базовыми комплектациями (это измерение и вычисление площади, периметра и объема).
Электронная лазерная рулетка фото
Это что касается основных моментов выбора, кроме которых существуют и другие, так сказать, не менее важные. К примеру, если планируете часто пользоваться измерителем, то не лишним будет обратить свое внимание на эргономичный дизайн дальномера – как минимум он должен быть удобным в эксплуатации. Если измерения производятся на строительных объектах, то наличие мягкого резинового буфера лишним не окажется – защищенная от ударов при падении рулетка прослужит намного дольше. Естественно, производитель, от которого в полной мере зависит качество продукции – лучше отдать предпочтение дальномеру от известного производителя. Особенно если вы приобретаете его для ежедневного использования.
И в заключение темы о том, как выбирается лазерная рулетка, скажу несколько слов по поводу дополнительной комплектации – в некоторых ситуациях без нее не обойтись. Речь идет как минимум о штативе с возможностью установки площадки в уровень горизонта – на больших расстояниях отклонение от мишени даже на десяток сантиметров влечет за собой большую погрешность. Также на точность измерений оказывает влияние и дрожание руки. В общем, до 60 метров вполне реально обойтись без штатива, а вот при измерениях на большие расстояния он нужен обязательно.
Автор статьи Александр Куликов
stroisovety.org